2021, Vol. 48文章信息
引用本文 |
基金项目
- 广东省重点领域研发计划项目（2020B020220003）；广东省科技计划项目（2021A1515011187）；广东省农业科学院农业优势产业学科团队建设项目（202103TD）；财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系项目（CARS-23-G-48）
作者简介
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李俊星（1985—），男，博士，副研究员，研究方向为瓜类蔬菜遗传育种，E-mail：lijunxing@gdaas.cn
李俊星，博士，副研究员。主要从事南瓜种质资源收集、保存、创新、品质育种及新品种示范推广等工作。先后主持或参与主持国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划项目、广东省自然科学基金、广东省科技计划项目等10项；以第一作者或通信作者发表科技论文12篇，其中SCI论文7篇；以第一发明人获授权国家发明专利2件，申请发明专利3件；获浙江省自然科学奖三等奖、广东省农业技术推广奖一等奖等成果奖励4项；参与选育通过省级审定品种10余个; 吴海滨，博士，研究员，现任广东省农业科学院蔬菜研究所瓜类研究二室主任。主要从事瓜类蔬菜种质资源收集、保存、创新、育种及新品种示范推广等工作。先后主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省科技计划项目等国家级、省部级以上科研项目8项；获广东省科学技术奖三等奖1项、广东省农业技术推广奖一等奖2项、中国热带作物学会青年科技奖1项；以第一完成人获授权国家发明专利5件；在Horticulture Research、Theoretical and Applied Genetics、Frontiers in Plant Science等杂志发表文章30余篇；主持育成3个丝瓜品种，参与育成蔬菜品种20个.
通讯作者
- 吴海滨（1979—），男，博士，研究员，研究方向为瓜类蔬菜遗传育种，E-mail：9033278@qq.com.
文章历史
- 收稿日期：2021-07-27
南瓜为葫芦科南瓜属草本植物, 起源于美洲大陆, 是一类重要的园艺蔬菜作物。全世界南瓜属作物栽培种有5个, 分别是中国南瓜、印度南瓜、美洲南瓜、墨西哥南瓜和黑籽南瓜。目前我国南瓜主要的栽培种为中国南瓜、印度南瓜与美洲南瓜3类。近5年来, 我国南瓜产业发展良好, 其播种面积与产量均高居世界首位。根据南瓜的主要食用器官或加工对象, 可分为肉用南瓜和籽用南瓜两大类。据中国园艺学会南瓜研究分会（2020）统计, 中国南瓜种植面积28.8万hm2, 产量1 126万t, 是南瓜属作物中播种面积最大、产量最高的一个类型。中国南瓜起源于墨西哥和中南美洲, 自明代嘉靖年间传入中国以来, 由于其广适性、易栽培与存贮方便等特性, 在我国南北方具有广泛的种植区域, 是农民增收、农村产业发展的重要支柱之一。中国南瓜种质资源的农艺性状遗传多样性丰富, 主要以肉用为主, 包括食用嫩瓜型和食用老瓜型, 是我国常见蔬菜作物。中国南瓜的生产最初主要以地方农家种为主, 生产不成规模, 产业相对落后, 且遗传育种研究起步较晚。自20世纪90年代起, 随着广东汕头“白沙蜜本”南瓜的大力推广, 我国南瓜的生产状况有了根本改观, 从而走上了规模化、产业化发展道路。“蜜本南瓜”类型系列品种的选育对我国南瓜的遗传育种工作产生了重要指导作用。近年来, 消费者和市场对于我国南瓜产品的需求越来越多元化、优质化, 这对我国南瓜的产业发展、新品种选育等方面提出了新要求。基于此, 我国南瓜研究者围绕重要农艺性状鉴评、遗传规律解析、控制基因定位、分子调控机理挖掘、种质资源创新、新品种选育等方面开展了系列工作, 在中国南瓜的基础研究和应用研究方面取得了一定进展。本文对近5年来中国南瓜重要性状功能基因挖掘、品质性状评价指标及检测技术、育种技术、新品种选育等方面的研究进行概述, 分析了目前中国南瓜育种技术和理论研究方面存在的不足和关键难点, 对未来育种工作进行展望, 提出未来育种研究的重点方向, 旨在为南瓜育种及产业高质量发展提供参考。
1 中国南瓜重要性状基因定位、克隆及分子机理随着现代分子生物学技术的快速发展, 分子育种技术逐渐在南瓜育种上得到应用, 南瓜重要性状的基因定位及分子机理解析是开展南瓜分子育种的重要基础, 但目前中国南瓜的基础研究整体相对薄弱, 相关性状的基因定位、克隆及分子机理报道较少。近年来, 完成了南瓜抗病、抗逆、果实品质等多个重要性状的基因定位, 且在南瓜抗白粉病、盐胁迫、果实淀粉、糖代谢的分子机理解析方面取得一些重要进展。
1.1 中国南瓜抗性基因定位及分子机理解析在中国南瓜抗病、抗逆方面, 南瓜抗性较强, 对南瓜抗性基因定位及机制的研究有助于我们选育出高抗品种。南瓜白粉病是一种分布广泛、普遍发生的世界性病害, 研究者在中国南瓜中分离到5个白粉病相关基因CmSGT1、CmPR1、CmMYB1、CmERF、CmbHLH87, 基因过量表达通过不同信号转导途径参与烟草对白粉病的抗性[1-3]。中国南瓜抗逆方面, Xu等[4]利用SSR建立遗传图谱, 检测到3个QTLs与耐冷性状相关, 分别解释变异的0.30%、1.22%、20.88%。王彬等[5]从中国南瓜幼苗中克隆到2个HSP90基因, 都对高温、低温、ABA、高盐、H2O2、干旱和水杨酸等多种胁迫均具有明显的应答反应, 其中对高温和水杨酸处理均表现出短时间强烈响应。陈敏氡等[6]克隆、分析了3个CmHSP70基因的功能, 高温条件下, 中国南瓜成熟叶中3个CmHSP70基因均能够在短时间内响应热胁迫而大量表达, 尤其是CmHSP70-2基因, 推测该基因可能在中国南瓜热胁迫过程发挥重要调节作用。对于中国南瓜的其他非生物胁迫相应机制分析, 申长卫等[7]在中国南瓜中鉴定到21个CmSWEET基因, 该基因与植物激素（脱落酸、茉莉酸甲酯、水杨酸和生长素）响应有关, 可能参与各种环境胁迫的响应。谢俊俊[8]通过RNA-Seq技术研究了中国南瓜对于盐胁迫的响应机制, 发现ABA合成及降解相关基因上调, NCED3s基因的表达水平增加会促进叶肉细胞中ABA诱导的气孔关闭, 同时发现盐胁迫后HKT1和细胞内Na+/H+（NHX4/6）转运蛋白的表达上调, 从而提高南瓜的耐盐性[9]。Sun等[10]同样发现两个高度同源的南瓜HKT编码基因, 发现CmHKT1;1基因在南瓜耐盐性状的获得性应用上表现出一定的潜力。彭绍雯[11]围绕CBL和CIPK基因家族探究南瓜对逆境胁迫的应答反应, 共鉴定8个CmCBL和30个CmCIPK, 在不同胁迫下, CmCBL成员呈现不同的诱导效应和组织表达特异性。
1.2 中国南瓜品质性状基因定位及分子机理解析在中国南瓜品质性状方面, 重点对外观品质、风味品质开展研究。Zhong等[12]构建了首张中国南瓜高密度遗传图谱, 将外观品质的果皮色与果皮纹基因定位在第8连锁群上, 贡献率分别为93.6%、90.2%；获得与外观品质相关的果实直径、果肉厚、果瘤等5个性状相关的12个QTL位点, 同时获得与果实内在品质相关的总类胡萝卜素、叶黄素、葡萄糖、蔗糖等7个性状相关的17个QTL位点。在此基础上, 周洋洋等[13]将皮色基因精细定位到第3号染色体145.13 kb范围内, 初步推测筛选出候选基因Pentatricopeptide repeat containing protein、Zinc finger protein、Tetratricoprptide repeat（TPR）-like superfamily protein, 可能与南瓜皮色形成相关。刘佳黎[14]筛选获得一个候选基因类胡萝卜素裂解双加氧酶基因（CmCCD7）, 该基因cDNA全长1 933 bp, 通过瞬时表达功能验证, 该基因过量表达会导致叶黄素含量显著下降。此外, 研究发现PSY、PDS、ZEP、CRTISO基因与类胡萝卜素的积累紧密相关[15]。淀粉作为南瓜果实的重要物质, 研究发现GBSS和SBE的表达模式与支链淀粉/直链淀粉比值变化趋势相关[16]。糖含量影响南瓜的甜味性状, 王曼曼等[17]将蔗糖/葡萄糖QTL位点进行定位, 定位区段大小为356.3 kb, 初步推测4个与糖含量相关基因, 包括果糖-1, 6-二磷酸酶和MYB转录因子。随后研究者通过转录组分析发现SUS、SPS、HK、FK基因表达与蔗糖积累密切相关[15]。刘泽发等[18]利用SSR、SRAP、RSAP标记构建了包含18个连锁群的中国南瓜遗传图谱, 将果实全黄皮色基因定位到LGp2末端, 将长棒形果实性状控制基因定位到LGp7连锁群上, 此外, 共检测到3个与南瓜黄酮含量相关的QTLs, 均位于LGp13连锁群上, fl Q1、fl Q2、fl Q3的贡献率分别为46.32%、39.75%、17.2%。肌醇作为南瓜中一类重要的物质, 王安君等[19]获得了中国南瓜肌醇的2个相关基因CmIMP1和CmIMP2, 发现CmIMP基因表达呈现组织差异, 在叶片中表达量最高, 且盐胁迫和干旱胁迫可强烈诱导CmIMP表达。
1.3 农艺性状基因定位及分子机理解析针对中国南瓜花期、株型等其他重要农艺性状, 获得长日照光周期不敏感、首雌花节位、首雄花节位、半短蔓性状的主效QTL/基因[20-21]。周洋洋[21]获得2个首雌节位的QTL位点, 分别位于5号、9号连锁群上, 其中9号连锁群上的QTL为主效位点, 而4个首雄节位的QTL位点则分别位于1号、4号、9号、11号连锁群上, 其中4号和9号连锁群上的2个QTL位点为可靠主效位点[21]。李庆飞等[22]则对乙烯利和乙烯抑制剂对南瓜花性别分化和乙烯相关基因表达做了相关研究, 发现乙烯利处理使乙烯合成酶基因ACO和乙烯接受体基因ETR的表达水平升高, 显著降低了第一雌花节位, 并增加了雌花数量, 而乙烯抑制剂起到相反的作用效果。
2 中国南瓜品质性状检测技术及评价指标研究 2.1 南瓜果实品质性状检测技术研究随着社会进步和消费者的需求, 对于中国南瓜的品质要求越来越高, 品质育种成为育种家关注的焦点。研究者们针对内在品质的检测技术以及品质规律开展了系列研究, 主要涉及果胶、淀粉、叶黄素、香味、肌醇等品质性状。基于此, 对于种质资源进行评价、筛选, 获得一些高品质性状的种质资源, 为优质新品种的选育奠定丰富的材料基础。李玉丹等[23]利用GC-MS技术建立了同时检测南瓜果实肌醇类和单、双糖类物质的方法, 能够检测南瓜果实样品中的主要代谢成分半乳糖、葡萄糖、D-手性肌醇、肌-肌醇、果糖和蔗糖等成分, 并对17份中国南瓜材料进行检测筛选, 不同材料的肌醇含量差异为后续高肌醇南瓜育种提供了有效数据信息, 在此基础上, 黄河勋等选育了肌醇含量高的新品种粤蜜小南瓜。邓俊琳等[24]开发了HPLC检测方法, 为后续南瓜β-胡萝卜素的快速检测和深入研究奠定了技术基础, 且发现12份南瓜材料中β-胡萝卜素含量差异较大, 筛选到1份β-胡萝卜素含量较高的中国南瓜资源。HPLC技术同样也应用于检测叶黄素、α-胡萝卜素等物质[15]。王彬等[25]以乙醇作为提取剂并通过皂化处理提取南瓜果肉类胡萝卜素, 利用UPLC技术进行检测, 并对包括7个中国南瓜在内的23份南瓜品种进行检测, 获得一份高类胡萝卜素含量的中国南瓜品种—金塔蜜本南瓜, 研究结果为中国南瓜资源开发与利用提供科学依据。徐小军等[26]则重点关注最优的类胡萝卜素提取方法, 发现在超声波辅助下, 利用无水乙醇为提取溶剂, 料液比1 ∶ 4, 浸提8 min, 抽提4次时, 南瓜果肉类胡萝卜素提取率最高, 并以5个不同类型的南瓜品种分析类胡萝卜素的积累与变化规律, 研究结果为南瓜品质育种提供参考。此外, 研究者还关注了南瓜果实和叶片的香味性状检测, 通过顶空固相微萃取技术结合气相色谱质谱技术, 分析研究了香芋南瓜的挥发性物质, 初步推断2-乙酰基-1-吡咯啉为南瓜呈现芋香味的主要贡献物, 并随叶片和果实发育含量发生变化[27-28], 为芋香味南瓜资源创制、新品种选育奠定了理论基础。陈敏氡等[29]同样采用顶空固相微萃取气质联用分析了5个品种果肉的挥发性成分, 发现壬醛、正己醛、反, 反-2, 4-庚二烯醛、顺-壬-3-烯-1-醇和正己醇等化合物为南瓜果肉的主要风味物质, 且不同品种的特征风味物质存在差异, 为南瓜种质资源的风味品质评价与品种风味改良提供数据参考。
2.2 南瓜果实品质性状呈现规律研究果实的内在品质成分随果实发育呈现不同变化规律。研究发现中国南瓜果实在生长期可溶性固形物、总糖、类胡萝卜素含量呈现逐步上升趋势, 而有机酸含量则呈现下降趋势, 但是不同类型的糖呈现不同的含量变化, 在果实发育前20 d主要以果糖为主, 而后期以积累蔗糖为主[15]。对于淀粉而言, 随着果实发育, 总淀粉含量因材料不同呈现不同的变化趋势, 但支链淀粉在其中占绝大比例[16]。
2.3 南瓜果实品质性状相关性分析及评价指标建立品质性状之间存在一定关联性。研究发现不同南瓜品种之间内在营养物质、矿质元素等含量存在较大差异, 且各内在品质性状间存在一定相关性[30-31], 为后续选育特定营养和保健功能的南瓜新品种提供理论依据。果肉色与可溶性固形物存在一定相关性, 南瓜果肉中的红色成分与可溶性固形物含量呈极显著相关, 生鲜瓜颈果肉中的黄色成分与可溶性固形物含量呈显著相关, 生鲜瓜颈果肉中的可溶性固形物含量最高[32]。针对南瓜的感官品质、理化指标以及其中的相关性也有相关报道, 鉴定了影响南瓜口感的关键指标, 并建立一种科学评价口感的方法, 可利用干物质、可溶性糖、淀粉百分含量预测肉用南瓜口感[33]。
3 中国南瓜育种技术研究及新品种选育 3.1 分子标记辅助选择育种分子标记辅助选择育种可以提高资源筛选、创制的精度和效率。目前已针对部分性状开发了可使用的分子标记, 但总体进展较缓慢。研究者针对光周期不敏感、叶黄素、皮色、蔗糖/葡萄糖比值、首雌节位、首雄节位、芋香味等性状开发了SNP、Indel分子标记, 并在南瓜资源筛选、创新中应用, 黄河勋等利用分子标记辅助选择筛选、创制了相应性状的种质资源, 通过杂交育种手段选育了长日照光周期不敏感新品种‘广蜜1号南瓜’, 选育了高叶黄素含量的‘甜蜜小南瓜’[34-39]。戴祖云等[40]利用SSR标记实现了南瓜杂交种纯度的鉴定, 提高了品种检测效率。
3.2 单倍体育种单倍体育种技术可以显著提高优良株系纯化速度、提高育种效率。南瓜的单倍体体系还不完善, 受材料基因型影响大。闵子扬等[41]通过未授粉子房离体培养建立了再生体系, 获得了单倍体植株。其他学者也进一步研究了未授粉子房和胚珠离体培养的再生条件, 为单倍体育种体系的建立奠定了基础[42-43]。武习习[44]研究了未受精胚珠的液体培养技术, 发现中国南瓜的胚珠液体培养愈伤诱导率要高于印度南瓜。此外, 也可以通过胚囊再生进行单倍体的创制[45]。总体来说, 单倍体诱导效率及稳定性还需进一步提高。
3.3 航天育种及种间远缘杂交育种航天育种可以利用太空特殊的环境诱变作用, 提高种质资源变异频率, 有益于资源创制和新品种选育。近5年航天育种有少许报道, 发现航天诱变环境对果形指数、单果重产生影响[46]。种间远缘杂交也是一种重要的资源创新手段, 可以拓宽种质资源的遗传背景, 能够培育具有异质化的核心种质资源或品种。国内学者开展了很多工作, 发现种间杂种能够较亲本有明显的性状优势。智海英等[47]发现中国南瓜与美洲南瓜或印度南瓜种间杂种一代的耐热性较杂交亲本美洲南瓜或印度南瓜有显著提高。刘文君等[48]发现印度南瓜与中国南瓜杂交, 不同杂交组合呈现不同的亲和性, 杂种表现出叶片变大、节间变长和单瓜重变大的超亲趋势。此外, 研究者充分利用种间杂种应用到资源创新上, 叶飞华等[49]在印度南瓜与中国南瓜杂交F1的基础上, 通多回交和多代自交获得了“种间自交系”, 构建印度南瓜与中国南瓜的种间杂交桥梁亲本。宋慧等[50]对36个中国南瓜和印度南瓜远缘杂交新种质的F5和F6自交系进行耐热性评价, 筛选得到耐热优系, 为培育适宜越夏栽培的耐热印度南瓜新品种提供有价值的亲本。马海龙等[51]通过远缘杂交将美洲南瓜的黄色果皮性状转育到中国南瓜中, 创制黄色果皮新型种质资源。
3.4 转基因育种南瓜是较难进行转基因的物种, 目前中国南瓜的转基因体系并未建立, 受基因型影响, 严重限制基因功能研究。针对此问题, 首先要建立高效稳定的离体再生体系。闵子扬等[52]利用子叶节和授粉后2 d的子房为外植体, 对南瓜愈伤组织和胚状体发育两种再生途径进行研究, 获得了诱导南瓜子叶节丛生芽和单芽成苗的最佳培养基, 建立筛选了诱导南瓜胚状体形成和胚状体成苗的培养基。郭佳等[53]以下胚轴1/2子叶作为外植体, 发现1.0 mg/L 6-BA和0.5 mg/L ABA配合能够显著提升外植体再生能力, 不定芽诱导率达到90.26%, 并且进一步发现预培养、侵染、共培养时间对抗生芽的再生率显著影响[54]。在南瓜遗传转化技术难以突破的情况下, 有学者采用瞬时转化验证基因功能。周洋洋等[55]实现了衣藻β–胡萝卜素加酮酶基因在南瓜果实中的瞬时表达。
3.5 中国南瓜新品种选育近5年来, 中国南瓜新品种与以前相比, 外观、品质、产量均有较大提升, 品质育种受到越来越多关注。经不完全统计, 目前中国南瓜的新品种选育主要集中在广东、广西、湖南、重庆、安徽、北京、河南等地, 除传统的大果型蜜本南瓜外, 近几年来重点发力高品质中国南瓜类型新品种的选育, 南瓜品种已涵盖大、小果, 早、中、迟熟类型以及专用型品种。大果型蜜本类型仍占重要地位, 种植范围广、覆盖面积大。近5年的新品种有金船大密本（广东）、香栗蜜本（安徽）、早熟粉蜜（湖南）、红蜜3号（湖南）。除大果型蜜本外, 小果型中国南瓜发展迅猛, 主要集中在广东、广西、湖南等地, 新品种日益增多, 如甜蜜小南瓜（广东）、金铃（广东）、盘龙204（安徽）、金圆小南瓜（湖南）、棒棒蜜（湖南）、桂丰8号（广西）、北蜜2号（北京）。除食用老瓜品种外, 食用嫩果专用品种也越来越多, 主要种植范围在长江流域及以南, 如湘研早妍（湖南）、云冠（云南）、云南瓜1号（云南）。此外, 无蔓类型的品种也有报道, 如中瑞1号（北京）、中瑞2号（北京）、荃冠5号（安徽）（表 1）。总之, 丰富的中国南瓜品种类型, 促进了南瓜品种结构调整。
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4 中国南瓜育种面临问题及发展建议
近5年来, 中国南瓜的应用基础研究、新品种发展较快, 但还存在一些问题。（1）抗性、品质等重要性状研究还不够深入, 品质、抗性的评价指标及鉴定技术还不够完善, 无法将性状形成数据化信息, 阻碍了性状解析。尽管南瓜基因组已经发布, 但性状基因/QTL定位相对滞后, 重要性状基因及功能分析缺失。（2）种质资源创新技术相对单一, 传统杂交育种是主要的资源创新方式, 分子设计育种、分子标记辅助育种等体系不成熟, 且缺乏稳定的再生体系和遗传转化体系。因此, 针对以上问题, 在后续工作中需要结合基因组学、表型组学、代谢组学、转录组等高通量技术, 建立完善的性状评价指标, 对重要性状基因进行定位、克隆, 并解析性状形成机理。另外, 加快分子育种技术体系建立, 实现分子育种与常规育种技术的紧密结合, 提高资源创新效率, 并加大诱变育种和倍性育种的研究力度, 争取在双单倍体育种、基因编辑等方面有较大突破。最后, 要根据社会发展需求和消费需要, 大力选育多元化、特色化的新品种以及专用型新品种, 特别是风味优良新品种、功能性新品种等方面取得重大突破, 满足中国南瓜产业发展的品种结构需求, 从而提高我国南瓜产品的市场竞争力。
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（责任编辑 白雪娜）